3Dプリンターは積層して物を造ります。そのため積層造形装置とも呼ばれています。

積層するイメージとしてソフトクリームを作る時を思い浮かべると良いでしょう。ノズルから出てきたホイップクリームを幾層にも積層する事でソフトクリーム(造形物)は造られます。
積層して物を造り上げる原理はどの3Dプリンターでも同じですが、積層方式により大きく熱溶解積層方式、光造形方式、粉末焼結方式、インクジェット方式、プロジェクション方式、インクジェット粉末積層方式(※(注記)1)に分類する事が出来ます。
※(注記)1・・・他にも造形方式はありますが、解かりやすく現在市場に出回っている3Dプリンターを大きく分類分けしています。

【 熱溶解積層方式 FDM法(Fused Deposition Modeling) 】

熱溶解積層法は、熱に溶ける樹脂を1層ずつ積み上げていく方式です。2009年にFDM法の特許期限が切れたことにより、FDM法の3Dプリンターに価格破壊が起こりました。

その結果、数年前には数百万円した3Dプリンターが現在では10万円前後で購入できるようになっています。現在低価格で購入できる3Dプリンターは熱溶解積層法が主流になっています。

●くろまる原理

ABS樹脂やPLA樹脂のような、熱を加えると変形しやすくなる熱可塑性樹脂を用いる方式です。熱可塑性樹脂を高温で溶かし、成形テーブルで積層させます。ソフトクリームのクリームをノズルから出力する要領で溶解ヘッドから樹脂を出力させます。それを幾層にも積み重ねることで立体形状を造ります。

●くろまる特徴

• 精度や表面仕上がりが比較的粗い
• 狭いスーペースに設置可能
• 個人でも購入可能な値段(7万〜)となっている
• サポートが必要
• カラフルなものから材料を選べる

【 光造形方式 STL法(Stereo lithography) 】

光造形方式は、3Dプリンターの中でもっとも歴史の古い方式です。
日本人によって発明された技術で、1987年に3Dシステムズ社が実用化しました。

紫外線を照射すると硬化する液体樹脂(光硬化性樹脂)を用いた造形方式です。光硬化性樹脂を満たした槽に紫外線レーザーを照射させ層を造ります。1層造ると造形ステージを1層分下げ、それを幾層も積み上げることで造形を行います。

●くろまる原理

光造形方式は下図の流れで造形を行います。

光造形法の原理

• 1紫外線レーザーを当てると硬化する液体樹脂(光硬化性樹脂)の中に造形物を乗せる造形ステージがあります。液体樹脂の表面に紫外線レーザーを照射することで、樹脂を硬化させステージ上に第1層目を造ります。
• 21層造ると造形ステージも1層分下がります。1と同じ要領で2層目以降を作ります。
• 32の作業をスライスした分が終わるまで繰り返し、造形物を完成させます。

この方式は液体内に硬化した造形物が造られていくため、造形物を支える「サポート」が必要になります。造形終了後はサポート除去作業が必要になります。

●くろまる特徴

• 高額な物が多い。多くは数百万〜数千万円する。
• 日本の製造業で一番普及している
• 精度が良く複雑で細かい物が造れる
• サポートが必要
• レーザーパワーを変えて、積層ピッチを調節する

●くろまる動画

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【 粉末焼結方式 SLS法(Selective Laser Sintering) 】

粉末焼結積層造形は、粉末状の材料に高出力のレーザー光線をあて焼結させる造形方式です。

主な材料としてナイロンなどの樹脂系材料や銅・青銅・チタン・ニッケルなどの金属系の材料が使用できます。

耐久性があるためデザイン試作品だけでなく、利用可能な試作モデル(機能モデル)としてもおり、大量生産する前段階のテスト時に活躍しています。

●くろまる原理

粉末焼結方式は光造形法と似たような方式で、ステージ上にある粉末をレーザー光線を照射させて焼結させます。粉末が硬化したらステージを下げます。この作業をスライスした分繰り返し造形を行います。

●くろまる特徴

• 耐久性のある造形物を作れる
• 様々な材料を利用可能
• 硬化後に造形物は沈まないのでサポート部は不要
• 滑らかでつるつるした質感を求められるものには向かない

●くろまる動画

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【 インクジェット方式 Inkjet法(Inkjet) 】

インクジェット方式は、液状の紫外線硬化樹脂を噴射して、それを紫外線を照らすことにより硬化させ積層させる方法です。紙を印刷するインクジェットプリンターの原理を応用した造形方法です。

●くろまる原理

インクジェットの仕組み

インクジェット方式は、上図のように液状化した樹脂をインクジェットプリンタのように吹き付け、紫外線をあてることで硬化させます。それを幾層にも積層させることで造形します。

●くろまる特徴

• 高速にモデルを作ることが可能
• 高精度な物が造形可能
• サポート部は作られるが容易に除去可能
• 造形物が滑らかな表面に仕上がる

●くろまる動画

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【 プロジェクション方式 (Projection) 】

光造形方式の一種ですが、プロジェクターの光を利用して樹脂を硬化させ積層していく方式です。下から照射する為、造形物が逆さまに作られます。古くからある光造形方式の3Dプリンターに比べると格安な値段設定になっています。

●くろまる原理

光造形方式は造形中はステージが下に下がりますが、プロジェクション方式は、台を上に引き上げ、逆さまに造形物ぶら下がるように造形します。光造形方式がレーザー光で照射するのに対し、プロジェクション方式では、プロジェクターを使用して造形ステージ全体を照射します。樹脂との間に光を遮断するマスクが存在し、造形部分以外を光に当てないようにして造形を行います。

●くろまる特徴

• 従来の光造形法と比べて値段が安い
• プロジェクターを使用します
• きめの細かい造形物が作れます

●くろまる動画

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【 インクジェット粉末積層方式 】

でんぷん、石膏などの粉末を樹脂で接着して固める方式です。そのため粉末固着式積層法とも呼ばれています。代表的な3DプリンターにZ-Corporation社(現在は3DSYstemsと統合)のZプリンターがあります。フルカラーで造形出来ることも大きな特徴です。

●くろまる原理

インクジェット粉末積層法

• 1造形ステージに1層分の厚さに粉末を敷き詰める
• 2インクジェットより接着剤を噴射して3Dデータに沿ってインク(接着剤)を吹き付けて固める。1つの層がプリントできたら、造形ステージは1層分下降する。
• 31層目の上に次の層を3Dデータに沿ってプリントする。1、2を繰り返し幾層にも重ねることで造形する。

●くろまる特徴

• 着色機能を備えた装置が多い
• プリント速度が速い
• きめの細かい造形物が作れる
• 造形物の強度が弱い
• サポート部は必要なし

●くろまる動画

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